CN116175646B - 一种双足机器人腿足零位标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双足机器人腿足零位标定装置，该装置通过对双足机器人构型特点的利用，在获得外部零位标定相关输入后，自动计算并使用标定装置完成各关节的标定过程。该标定装置对待标定机器人腿足构型和自由度配置等均无要求，也无需针对待标定机器人具体外形添加固定结构件，在不影响待标定机器人硬件结构的条件下即可完成全自动化的标定过程。另外，由于该装置包含驱动部件和传感部件，对机器人标定的效果可以进行实时检测与调整，并可根据实际需求，随时更改机器人的零位，显著提升了机器人样机调试的效率。

Description

一种双足机器人腿足零位标定装置

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种适用于任意腿足结构形态、任意腿足关节自由度配置的双足机器人腿足零位标定装置。

背景技术

双足机器人是一种以仿生学结构为基本设计理念，模拟人类行走方式进行双足步态行走的机器人。其特有的腿足式结构和行走方式使得机器人具有较强的复杂地形通过能力和越障能力，相较于轮式机器人可在更为复杂的地形上完成任务。其模拟人类形态构型的特点也使得该种类机器人更为大众所接受，在家庭陪伴、教育培训等方面具有优势。当前双足机器人已取得重要研究进展，其平衡恢复能力和抵抗外界干扰能力已可以满足基本行走要求，部分机器人样机在平整路面上的行走速度也已接近人类正常行走速度。

然而，双足机器人因其构型特点和控制复杂度，在当前阶段下仍处于样机研发阶段，因此机器人样机调试的流程简化和效率提升是关键。机器人腿足零位标定作为样机调试的关键步骤，其存在步骤复杂、操作繁琐、人工参与程度过高等缺点。开发一款可用于双足机器人腿足快速零位标定任务的自动标定装置，并利用其标定方法完成标定，对于双足机器人样机研发调试过程尤为重要。

中国专利号CN112894826A公开的一种模块化机器人关节零位标定装置及标定方法，通过一套压紧机构和调节机构实现对机械臂中某一特定关节的快速零位标定。该机构可以实现单关节的快速标定，但对于双足机器人而言，其腿足结构包含的关节数量通常较多，且需要同时进行标定，因此单关节标定装置虽结构简单操作便捷，但并不适用于双足机器人的标定。

中国专利号CN105690423A公开的一种机器人零位标定装置及方法，通过底座安装和末端法兰安装，实现了多关节工业机械臂的快速准确标定。该机构适用于结构较为确定的工业机械臂类机器人的标定，而双足机器人由于结构形式多样，关节布置也不尽相同，该装置的固定结构和标定结构无法通用于目前的双足机器人研发调试中。

中国专利号CN110802593A公开的一种仿人机器人下肢关节零位标定方法，利用了仿人机器人的特点，通过一定的顺序调整各关节进行标定，并使用机器人自带传感器检测标定效果。该方法无外部结构辅助，仅依靠机器人本身即可完成标定，但该方法对机器人本体要求非常高，待标定的机器人除各关节需要高精度位置传感器之外，还需要内置有高精度姿态传感器和关节六维力/力矩传感器，对于大多数仿人机器人样机而言，其内置的传感器在数量和精度方面并不能满足标定要求，因此使用该方法将不具备基本的硬件条件，通用性较差。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供用于克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种双足机器人腿足零位标定装置。该装置用于双足机器人腿足各关节零位(即关节初始位置)的标定，可适用于双足机器人任意腿足形态、任意腿足关节自由度配置。利用该装置可快速完成双足机器人腿足关节初始状态的设定，在机器人需要频繁标定关节初始位置的情况下可以大大简化流程，提升效率。

本发明提供了如下方案：

一种双足机器人腿足零位标定装置，包括：

固定单元，所述固定单元包括若干固定夹爪以及若干夹持驱动组件，若干所述固定夹爪用于对待标定机器人的各个夹持点进行夹持，所述待标定机器人为各关节处于解锁状态可自由运动的机器人；若干所述夹持驱动组件用于驱动若干所述固定夹爪动作并以目标夹紧力将所述待标定机器人夹紧；

调节单元，所述调节单元包括若干标定位置调节组件，若干所述标定位置调节组件用于调节各个所述夹持点间的空间位置关系以实现目标机器人姿态下的零位标定；

传感单元，所述传感单元包括若干力传感器以及若干位置传感器；若干所述力传感器用于在调节和零位标定过程中获取相应夹持点处力的分布以及变化，所述力的分布以及变化用于确定所述目标夹紧力；若干所述位置传感器用于在调节和零位标定过程中获取各个所述夹持点的实时空间位置。

优选地：所述固定夹爪包括多爪夹持结构。

优选地：所述固定单元还包括备份手动夹持组件以及夹紧开关；所述备份手动夹持组件用于在所述夹持驱动组件失效或夹持力不足的情况下，通过夹持操作手柄手动夹紧并锁定夹持夹爪。

优选地：若干所述固定夹爪包括足部固定夹爪以及躯干固定夹爪；若干所述力传感器包括足底力传感器以及躯干力传感器；所述足底力传感器以及躯干力传感器用于计算固定机器人所需的所述目标夹紧力；所述目标夹紧力由下式表示：

式中：F_CL为躯干左侧夹爪的夹紧力，F_CR为躯干右侧夹爪的夹紧力，μ_CL、为躯干左侧夹爪与被夹持结构件间的摩擦系数，μ_CR为躯干右侧夹爪与被夹持结构件间的摩擦系数，F_FL为足底力传感器反馈的待标定机器人左足部实时受力信息，F_FR为足底力传感器反馈的待标定机器人右足部实时受力信息，M_R为待标定机器人的总质量。

优选地：所述调节单元还包括若干夹持位置调节组件，若干所述夹持位置调节组件用于对夹持位置进行微调。

优选地：若干所述夹持位置调节组件包括足部夹持位置调节组件以及躯干夹持位置调节组件；所述足部夹持位置调节组件以及所述躯干夹持位置调节组件用于对所述待标定机器人足部和躯干姿态进行调节，以使左右两侧腿足部分姿态一致，躯干保持水平，机器人重心位于两侧腿足中央的对称平面内。

优选地：若干所述夹持位置调节组件的调节过程由下式表示：

式中，Δx_F为足部夹持位置调节组件在x方向上的调整量，X_FL为左侧足部夹持点在x方向上的位置，X_FR为右侧足部夹持点在x方向上的位置，Δx_T为躯干夹持位置调节组件在x方向上的调整量，X_TL为左侧躯干夹持点在x方向上的位置，X_TR为右侧躯干夹持点在x方向上的位置，Δy_F为足部夹持位置调节组件在y方向上的调整量，Δy_T为躯干夹持位置调节组件在y方向上的调整量，F_TL为左侧躯干夹持点的受力反馈，Y_TL为左侧躯干夹持点在y方向上的位置，F_TR为右侧躯干夹持点的受力反馈，Y_TR为右侧躯干夹持点在y方向上的位置，F_FL为左侧足部夹持点的受力反馈，Y_FL为左侧足部夹持点在y方向上的位置，F_FR为右侧足部夹持点的受力反馈，Y_FR为右侧足部夹持点在y方向上的位置。

优选地：所述夹持位置调节组件还用于根据双足机器人零位标定的要求进行调节，以使机器人的重心位于脚踝正上方的目标高度处；在各方向上的调节过程由下式表示：

其中，Δx_F为足部夹持位置调节组件在x方向上的调整量，Δx_T为躯干夹持位置调节组件在x方向上的调整量，F_T为躯干夹持点两侧的受力反馈总和，X_T为躯干夹持点在x方向上的位置，F_F为足部夹持点两侧的受力反馈总和，X_F为足部夹持点在x方向上的位置，Δz_T为躯干夹持位置调节组件在z方向上的调整量，Z_T为躯干夹持点在z方向上的位置，Z_F为足部夹持点在z方向上的位置，Z₀为由外部输入系统的z方向期望标定位置。

优选地：还包括显示单元，所述显示单元用于展示本次标定位置执行效果。

优选地：本次标定位置执行效果参数及其计算方法由下式表示：

其中，E_x为本次标定在x方向上的综合位置误差，X_FL为左侧足部夹持点在x方向上的位置，X_FR为右侧足部夹持点在x方向上的位置，X_TL为左侧躯干夹持点在x方向上的位置，X_TR为右侧躯干夹持点在x方向上的位置，E_y为本次标定在y方向上的综合位置误差，Y_TL为左侧躯干夹持点在y方向上的位置，Y_TR为右侧躯干夹持点在y方向上的位置，Y_FL为左侧足部夹持点在y方向上的位置，Y_FR为右侧足部夹持点在y方向上的位置，E_z为本次标定在z方向上的综合位置误差，Z_TR为躯干夹持点在z方向上的位置，Z_TE为本次标定躯干在z方向上的期望位置，E_T为本次标定在所有方向上的综合位置误差，k_x、k_y、k_z分别为x方向、y方向和z方向上的误差权重系数，其满足k_x+k_y+k_z＝1的条件。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本申请实施例提供的一种双足机器人腿足零位标定装置，该装置通过对双足机器人构型特点的利用，在获得外部零位标定相关输入后，自动计算并使用标定装置完成各关节的标定过程。该标定装置对待标定机器人腿足构型和自由度配置等均无要求，也无需针对待标定机器人具体外形添加固定结构件，在不影响待标定机器人硬件结构的条件下即可完成全自动化的标定过程。

另外，在优选的实施方式下，由于该装置包含驱动部件和传感部件，对机器人标定的效果可以进行实时检测与调整，并可根据实际需求，随时更改机器人的零位，显著提升了机器人样机调试的效率。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种双足机器人腿足零位标定装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种双足机器人腿足零位标定装置的俯视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1、图2，为本发明实施例提供的一种双足机器人腿足零位标定装置，如图1、图2所示，该装置可以包括：

固定单元1，所述固定单元1包括若干固定夹爪101以及若干夹持驱动组件102，若干所述固定夹爪101用于对待标定机器人5的各个夹持点进行夹持，所述待标定机器人5为各关节处于解锁状态可自由运动的机器人；若干所述夹持驱动组件102用于驱动若干所述固定夹爪101动作并以目标夹紧力将所述待标定机器人5夹紧；具体的，所述固定夹爪101包括多爪夹持结构。

所述固定单元1还包括备份手动夹持组件103以及夹紧开关104；所述备份手动夹持组件103用于在所述夹持驱动组件102失效或夹持力不足的情况下，通过夹持操作手柄手动夹紧并锁定夹持夹爪。

若干所述固定夹爪包括足部固定夹爪以及躯干固定夹爪；若干所述力传感器包括足底力传感器301以及躯干力传感器302；所述足底力传感器以及躯干力传感器用于计算固定机器人所需的所述目标夹紧力；所述目标夹紧力由下式表示：

式中：F_CL为躯干左侧夹爪的夹紧力，F_CR为躯干右侧夹爪的夹紧力，μ_CL、为躯干左侧夹爪与被夹持结构件间的摩擦系数，μ_CR为躯干右侧夹爪与被夹持结构件间的摩擦系数，F_FL为足底力传感器反馈的待标定机器人左足部实时受力信息，F_FR为足底力传感器反馈的待标定机器人右足部实时受力信息，M_R为待标定机器人的总质量。

调节单元2，所述调节单元2包括若干标定位置调节组件201，若干所述标定位置调节组件201用于调节各个所述夹持点间的空间位置关系以实现目标机器人姿态下的零位标定；具体的，所述调节单元2还包括若干夹持位置调节组件202，若干所述夹持位置调节组件202用于对夹持位置进行微调。

若干所述夹持位置调节组件202包括足部夹持位置调节组件以及躯干夹持位置调节组件；所述足部夹持位置调节组件以及所述躯干夹持位置调节组件用于对所述待标定机器人足部和躯干姿态进行调节，以使左右两侧腿足部分姿态一致，躯干保持水平，机器人重心位于两侧腿足中央的对称平面内。

若干所述夹持位置调节组件的调节过程由下式表示：

式中，Δx_F为足部夹持位置调节组件在x方向上的调整量，X_FL为左侧足部夹持点在x方向上的位置，X_FR为右侧足部夹持点在x方向上的位置，Δx_T为躯干夹持位置调节组件在x方向上的调整量，X_TL为左侧躯干夹持点在x方向上的位置，X_TR为右侧躯干夹持点在x方向上的位置，Δy_F为足部夹持位置调节组件在y方向上的调整量，Δy_T为躯干夹持位置调节组件在y方向上的调整量，F_TL为左侧躯干夹持点的受力反馈，Y_TL为左侧躯干夹持点在y方向上的位置，F_TR为右侧躯干夹持点的受力反馈，Y_TR为右侧躯干夹持点在y方向上的位置，F_FL为左侧足部夹持点的受力反馈，Y_FL为左侧足部夹持点在y方向上的位置，F_FR为右侧足部夹持点的受力反馈，Y_FR为右侧足部夹持点在y方向上的位置。

所述夹持位置调节组件还用于根据双足机器人零位标定的要求进行调节，以使机器人的重心位于脚踝正上方的目标高度处；在各方向上的调节过程由下式表示：

其中，Δx_F为足部夹持位置调节组件在x方向上的调整量，Δx_T为躯干夹持位置调节组件在x方向上的调整量，F_T为躯干夹持点两侧的受力反馈总和，X_T为躯干夹持点在x方向上的位置，F_F为足部夹持点两侧的受力反馈总和，X_F为足部夹持点在x方向上的位置，Δz_T为躯干夹持位置调节组件在z方向上的调整量，Z_T为躯干夹持点在z方向上的位置，Z_F为足部夹持点在z方向上的位置，Z₀为由外部输入系统的z方向期望标定位置。

传感单元3；所述传感单元3包括若干力传感器以及若干位置传感器303；若干所述力传感器用于在调节和零位标定过程中获取相应夹持点处力的分布以及变化，所述力的分布以及变化用于确定所述目标夹紧力；若干所述位置传感器303用于在调节和零位标定过程中获取各个所述夹持点的实时空间位置。

为了方便为标定人员提供标定精度上的重要参考。本申请实施例还可以提供显示单元用于展示本次标定位置执行效果。本次标定位置执行效果参数及其计算方法由下式表示：

其中，E_x为本次标定在x方向上的综合位置误差，X_FL为左侧足部夹持点在x方向上的位置，X_FR为右侧足部夹持点在x方向上的位置，X_TL为左侧躯干夹持点在x方向上的位置，X_TR为右侧躯干夹持点在x方向上的位置，E_y为本次标定在y方向上的综合位置误差，Y_TL为左侧躯干夹持点在y方向上的位置，Y_TR为右侧躯干夹持点在y方向上的位置，Y_FL为左侧足部夹持点在y方向上的位置，Y_FR为右侧足部夹持点在y方向上的位置，E_z为本次标定在z方向上的综合位置误差，Z_TR为躯干夹持点在z方向上的位置，Z_TE为本次标定躯干在z方向上的期望位置。E_T为本次标定在所有方向上的综合位置误差，k_x、k_y、k_z分别为x方向、y方向和z方向上的误差权重系数，其满足k_x+k_y+k_z＝1的条件。

本申请实施例提供的双足机器人腿足零位标定装置，该装置可以用于确定双足机器人各关节的初始位置，其具有自动固定机器人、自动调整标定位置、自动完成标定工作的特征，该装置主要包含固定单元、调节单元和传感单元三大部分，并可以采用坚固的框架结构用于支撑装置各部件及待标定机器人。

下面对本申请实施例提供的装置及其使用方法进行详细说明。

双足机器人零位自动标定装置用于确定双足机器人各关节的初始位置，其具有自动固定机器人、自动调整标定位置、自动完成标定工作的特征，该装置主要包含固定单元1、调节单元2和传感单元3三大部分，并有坚固的框架结构4用于支撑装置各部件及待标定机器人5。

另外，所述双足机器人零位自动标定装置的固定单元包含固定夹爪101、夹持驱动组件102、备份手动夹持组件103和夹紧开关104。固定夹爪101总体为四爪夹持结构，也可依据待标定机器人5被夹持结构件的外形，通过快拆结构拆除一定数量的夹爪，变为三爪、两爪夹持结构，以实现对多种机器人构型的通用性夹持。夹持驱动组件102用于驱动夹爪，实现自动夹紧。其主要依靠电机进行驱动，并可通过软件调节夹紧力，夹紧力通过夹爪内的力传感器反馈至驱动电机。备份手动夹持组件103主要用于在夹持驱动组件失效或夹持力不足的情况下，通过夹持操作手柄手动夹紧并锁定夹持夹爪，确保夹持稳固。夹紧开关104用于对机器人施加和卸除夹紧力，由于夹紧力通常较大，采用物理开关以确保安全。

另外，所述双足机器人零位自动标定装置的调节单元2包含标定位置调节组件201、夹持位置调节组件202和位置调节滑台203。标定位置调节组件201主要用于自动调节各夹持点间的空间位置关系，即调节待标定机器人5的具体标定位置，实现特定机器人姿态下的零位标定。该标定位置可由外部输入更改，并可进行在线调节。夹持位置调节组件202主要用于对待标定机器人5的夹持位置进行自动微调。

由于本发明中的标定装置对机器人安装至该装置时的姿态无要求，在完成固定装夹后，由夹持位置调节组件对机器人的夹持姿态进行微调，对齐并调平各夹持位置，使得机器人满足后续标定要求。位置调节滑台203主要用于快速移动各夹持点至不同位置，以适应不同待标定机器人的尺寸大小和具体构型，在夹紧完成后，滑轨将锁定并由各调节单元对各部件位置进行主动调节。

另外，所述双足机器人零位自动标定装置的传感单元3包含足底力传感器301、躯干力传感器302和各夹持点的位置传感器303。足底力传感器301位于足部夹持固定装置内，用于感知机器人在自动调节和零位标定过程中足底力的分布和变化情况，并作为重要输入参数反馈至自动标定装置的调节单元2中。躯干力传感器302位于躯干夹持固定装置内，用于感知机器人在自动调节和零位标定过程中躯干固定点处力的分布和变化情况，并作为重要输入参数反馈至自动标定装置的调节单元2中。夹持点位置传感器303主要用于检测各夹持点在整个自动调节和零位标定过程中的准确空间位置，为该装置的标定准确度提供重要保障。

另外，所述双足机器人零位自动标定方法可对各构型的双足机器人进行自动快速零位标定，标定过程为全自动，并可对实际标定位置进行在线更改与调整。该标定过程主要分以下几个步骤进行：

步骤一，将待标定机器人5的各关节解锁使其可以自由运动，将机器人正面朝向标定装置并移动至装置内部，沿位置调节滑台203移动各固定夹持系统至合适位置，将机器人的左右足部分别放入装置的左右足部固定单元内，将机器人的躯干两侧分别放入装置的左右躯干固定单元内。

步骤二，确保安全后启动夹紧开关，夹持驱动组件作动，首先足部夹持驱动组件对待标定机器人5的左右足部进行夹紧，随后躯干夹持驱动组件对待标定机器人5的躯干左右两侧进行夹紧。其中躯干两侧的夹紧力将由足底力传感器反馈的信息自动调节。该夹紧力可表示为：

其中，F_CL、F_CR为躯干左右两侧夹爪的夹紧力，μ_CL、μ_CR为躯干左右两侧夹爪与被夹持结构件间的摩擦系数，该系数已在标定装置上进行预先标定，并根据实际标定过程中被夹持结构件的材料属性进行调整。F_FL、F_FR为足底力传感器反馈的机器人左右足部实时受力信息，M_R为机器人的总质量，可由外部输入作为夹紧力调节的重要参考。

夹持过程中，如观察到夹持力不再变化，则夹持完成，此时撤除机器人上原有的所有外部支撑部件，机器人将稳定夹持于自动标定装置内。如出现夹持力不足的现象，通过备份手动夹持组件手动施加足够的夹持力。

例如，若已知躯干左右两侧夹爪与被夹持结构件间的摩擦系数μ_CL＝μ_CR＝0.78，足底力传感器反馈的机器人左右足部实时受力信息F_FL＝185N，F_FR＝256N，则夹紧力可表示为：

步骤三，在自动标定程序中确认待标定机器人5的夹紧状态。确认后自动标定装置将通过夹持位置调节组件对机器人足部和躯干姿态进行调节。根据双足机器人零位标定的要求，调节完成后，左右两侧腿足部分姿态将完全一致，躯干将保持水平，机器人重心将位于两侧腿足中央的对称平面内。调节过程主要依靠各传感器反馈的信息完成。

在各方向上的调节过程可表示为：

其中，Δx_F为足部夹持位置调节组件在x方向上的调整量，X_FL为左侧足部夹持点在x方向上的位置，X_FR为右侧足部夹持点在x方向上的位置，Δx_T为躯干夹持位置调节组件在x方向上的调整量，X_TL为左侧躯干夹持点在x方向上的位置，X_TR为右侧躯干夹持点在x方向上的位置，Δy_F为足部夹持位置调节组件在y方向上的调整量，Δy_T为躯干夹持位置调节组件在y方向上的调整量，F_TL为左侧躯干夹持点的受力反馈，Y_TL为左侧躯干夹持点在y方向上的位置，F_TR为右侧躯干夹持点的受力反馈，Y_TR为右侧躯干夹持点在y方向上的位置，F_FL为左侧足部夹持点的受力反馈，Y_FL为左侧足部夹持点在y方向上的位置，F_FR为右侧足部夹持点的受力反馈，Y_FR为右侧足部夹持点在y方向上的位置。

例如，若已知左侧足部夹持点在x方向上的位置X_FL＝―20mm，右侧足部夹持点在x方向上的位置X_FR＝30mm，左侧躯干夹持点在x方向上的位置X_TL＝―15mm，右侧躯干夹持点在x方向上的位置X_TR＝25mm，左侧躯干夹持点的受力反馈F_TL＝80N，左侧躯干夹持点在y方向上的位置Y_TL＝―100mm，右侧躯干夹持点的受力反馈F_TR＝111N，右侧躯干夹持点在y方向上的位置Y_TR＝200mm，左侧足部夹持点的受力反馈F_FL＝105N，左侧足部夹持点在y方向上的位置Y_FL＝―15mm，右侧足部夹持点的受力反馈F_FR＝145N，右侧足部夹持点在y方向上的位置Y_FR＝215mm，则在各方向上的调节过程可表示为：

步骤四，确定本次标定的具体位置，确认后自动标定装置将通过驱动各夹持固定单元，使其改变位置，将机器人调整至该标定位置，并保持正确的标定姿态。根据双足机器人零位标定的要求，调节完成后，机器人的重心将位于脚踝正上方的固定高度。调节过程主要依靠各传感器反馈的信息完成。若已知躯干夹持点两侧的受力反馈总和F_T＝191N，躯干夹持点在x方向上的位置X_T＝25mm，足部夹持点两侧的受力反馈总和F_F＝250N，足部夹持点在x方向上的位置X_F＝―20mm，躯干夹持点在z方向上的位置Z_T＝800mm，足部夹持点在z方向上的位置Z_F＝100mm，由外部输入系统的z方向期望标定位置Z₀＝1000mm，则在各方向上的调节过程可表示为：

步骤五，自动标定装置通过软件界面等方式，反馈本次标定位置执行效果，为标定人员提供标定精度上的重要参考。标定人员将根据实际执行效果，结合待标定机器人5对标定精度的要求，评估本次自动标定的质量，如判定为不满足要求，则可在标定装置硬件允许的范围内，使用更高精度的方式，对机器人进行更为缓慢的标定过程，直至精度达到要求。

标定位置执行效果参数及其计算方法可表示为：

其中，E_x为本次标定在x方向上的综合位置误差，X_FL为左侧足部夹持点在x方向上的位置，X_FR为右侧足部夹持点在x方向上的位置，X_TL为左侧躯干夹持点在x方向上的位置，X_TR为右侧躯干夹持点在x方向上的位置，E_y为本次标定在y方向上的综合位置误差，Y_TL为左侧躯干夹持点在y方向上的位置，Y_TR为右侧躯干夹持点在y方向上的位置，Y_FL为左侧足部夹持点在y方向上的位置，Y_FR为右侧足部夹持点在y方向上的位置，E_z为本次标定在z方向上的综合位置误差，Z_TR为躯干夹持点在z方向上的位置，Z_TE为本次标定躯干在z方向上的期望位置。E_T为本次标定在所有方向上的综合位置误差，k_x、k_y、k_z分别为x方向、y方向和z方向上的误差权重系数，其满足k_x+k_y+k_z＝1的条件，并可由外部输入进行更改。

例如，若已知左侧足部夹持点在x方向上的位置X_FL＝5.3mm，右侧足部夹持点在x方向上的位置X_FR＝5.8mm，左侧躯干夹持点在x方向上的位置X_TL＝5.1mm，右侧躯干夹持点在x方向上的位置X_TR＝6.1mm，左侧足部夹持点在y方向上的位置Y_FL＝―29.9mm，右侧足部夹持点在y方向上的位置Y_FR＝230.8mm，左侧躯干夹持点在y方向上的位置Y_TL＝―50.5mm，右侧躯干夹持点在y方向上的位置Y_TR＝250.1mm，躯干夹持点在z方向上的位置Z_TR＝1100.5mm，本次标定躯干在z方向上的期望位置Z_TE＝1100mm，x方向、y方向和z方向上的误差权重系数k_x＝0.2、k_y＝0.2、k_z＝0.6，则标定位置执行效果参数及其计算方法可表示为：

步骤六，本次自动标定执行到位后，标定人员通过软件界面等方式对结果进行确认，确认后所有调节单元将锁定，机器人的标定位置也随之锁定。在该状态下，即可对机器人各关节进行通电并置零等常规标定操作。

另外，所述双足机器人零位自动标定方法由安装于自动标定装置上的高性能嵌入式计算系统所搭载，并通过软件界面等方式实现外部参数输入和内部参数反馈。在整个机器人标定过程中，除前述部分需手动确认的步骤外，其余所有过程均为全自动执行。所有步骤执行完成后，标定参数将自动保存供后续使用。

总之，本申请提供的双足机器人腿足零位标定装置，该装置通过对双足机器人构型特点的利用，在获得外部零位标定相关输入后，自动计算并使用标定装置完成各关节的标定过程。该标定装置对待标定机器人腿足构型和自由度配置等均无要求，也无需针待标定对机器人具体外形添加固定结构件，在不影响待标定机器人硬件结构的条件下即可完成全自动化的标定过程。

同时，由于该装置包含驱动部件和传感部件，对机器人标定的效果可以进行实时检测与调整，并可根据实际需求，随时更改机器人的零位，显著提升了机器人样机调试的效率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加上必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种双足机器人腿足零位标定装置，其特征在于，包括：

固定单元，所述固定单元包括若干固定夹爪以及若干夹持驱动组件，若干所述固定夹爪用于对待标定机器人的各个夹持点进行夹持，所述待标定机器人为各关节处于解锁状态可自由运动的机器人；若干所述夹持驱动组件用于驱动若干所述固定夹爪动作并以目标夹紧力将所述待标定机器人夹紧；

调节单元，所述调节单元包括若干标定位置调节组件，若干所述标定位置调节组件用于调节各个所述夹持点间的空间位置关系以实现目标机器人姿态下的零位标定；

传感单元，所述传感单元包括若干力传感器以及若干位置传感器；若干所述力传感器用于在调节和零位标定过程中获取相应夹持点处力的分布以及变化，所述力的分布以及变化用于确定所述目标夹紧力；若干所述位置传感器用于在调节和零位标定过程中获取各个所述夹持点的实时空间位置。

2.根据权利要求1所述的双足机器人腿足零位标定装置，其特征在于，所述固定夹爪包括多爪夹持结构。

3.根据权利要求1所述的双足机器人腿足零位标定装置，其特征在于，所述固定单元还包括备份手动夹持组件以及夹紧开关；所述备份手动夹持组件用于在所述夹持驱动组件失效或夹持力不足的情况下，通过夹持操作手柄手动夹紧并锁定夹持夹爪。

4.根据权利要求1所述的双足机器人腿足零位标定装置，其特征在于，若干所述固定夹爪包括足部固定夹爪以及躯干固定夹爪；若干所述力传感器包括足底力传感器以及躯干力传感器；所述足底力传感器以及躯干力传感器用于计算固定机器人所需的所述目标夹紧力；所述目标夹紧力由下式表示：

式中：F_CL为躯干左侧夹爪的夹紧力，F_CR为躯干右侧夹爪的夹紧力，μ_CL为躯干左侧夹爪与被夹持结构件间的摩擦系数，μ_CR为躯干右侧夹爪与被夹持结构件间的摩擦系数，F_FL为足底力传感器反馈的待标定机器人左足部实时受力信息，F_FR为足底力传感器反馈的待标定机器人右足部实时受力信息，M_R为待标定机器人的总质量。

5.根据权利要求1所述的双足机器人腿足零位标定装置，其特征在于，所述调节单元还包括若干夹持位置调节组件，若干所述夹持位置调节组件用于对夹持位置进行微调。

6.根据权利要求5所述的双足机器人腿足零位标定装置，其特征在于，若干所述夹持位置调节组件包括足部夹持位置调节组件以及躯干夹持位置调节组件；所述足部夹持位置调节组件以及所述躯干夹持位置调节组件用于对所述待标定机器人足部和躯干姿态进行调节，以使左右两侧腿足部分姿态一致，躯干保持水平，机器人重心位于两侧腿足中央的对称平面内。

7.根据权利要求6所述的双足机器人腿足零位标定装置，其特征在于，若干所述夹持位置调节组件的调节过程由下式表示：

式中，Δx_F为足部夹持位置调节组件在x方向上的调整量，X_FL为左侧足部夹持点在x方向上的位置，X_FR为右侧足部夹持点在x方向上的位置，Δx_T为躯干夹持位置调节组件在x方向上的调整量，X_TL为左侧躯干夹持点在x方向上的位置，X_TR为右侧躯干夹持点在x方向上的位置，Δy_F为足部夹持位置调节组件在y方向上的调整量，Δy_T为躯干夹持位置调节组件在y方向上的调整量，F_TL为左侧躯干夹持点的受力反馈，Y_TL为左侧躯干夹持点在y方向上的位置，F_TR为右侧躯干夹持点的受力反馈，Y_TR为右侧躯干夹持点在y方向上的位置，F_FL为左侧足部夹持点的受力反馈，Y_FL为左侧足部夹持点在y方向上的位置，F_FR为右侧足部夹持点的受力反馈，Y_FR为右侧足部夹持点在y方向上的位置。

8.根据权利要求7所述的双足机器人腿足零位标定装置，其特征在于，所述夹持位置调节组件还用于根据双足机器人零位标定的要求进行调节，以使机器人的重心位于脚踝正上方的目标高度处；在各方向上的调节过程由下式表示：

其中，Δx_F为足部夹持位置调节组件在x方向上的调整量，Δx_T为躯干夹持位置调节组件在x方向上的调整量，F_T为躯干夹持点两侧的受力反馈总和，X_T为躯干夹持点在x方向上的位置，F_F为足部夹持点两侧的受力反馈总和，X_F为足部夹持点在x方向上的位置，Δz_T为躯干夹持位置调节组件在z方向上的调整量，Z_T为躯干夹持点在z方向上的位置，Z_F为足部夹持点在z方向上的位置，Z₀为由外部输入系统的z方向期望标定位置。

9.根据权利要求1所述的双足机器人腿足零位标定装置，其特征在于，还包括显示单元，所述显示单元用于展示本次标定位置执行效果。

10.根据权利要求9所述的双足机器人腿足零位标定装置，其特征在于，本次标定位置执行效果参数及其计算方法由下式表示：

其中，E_x为本次标定在x方向上的综合位置误差，X_FL为左侧足部夹持点在x方向上的位置，X_FR为右侧足部夹持点在x方向上的位置，X_TL为左侧躯干夹持点在x方向上的位置，X_TR为右侧躯干夹持点在x方向上的位置，E_y为本次标定在y方向上的综合位置误差，Y_TL为左侧躯干夹持点在y方向上的位置，Y_TR为右侧躯干夹持点在y方向上的位置，Y_FL为左侧足部夹持点在y方向上的位置，Y_FR为右侧足部夹持点在y方向上的位置，E_z为本次标定在z方向上的综合位置误差，Z_TR为躯干夹持点在z方向上的位置，Z_TE为本次标定躯干在z方向上的期望位置，E_T为本次标定在所有方向上的综合位置误差，k_x、k_y、k_z分别为x方向、y方向和z方向上的误差权重系数，其满足k_x+k_y+k_z＝1的条件。